Геометрические параметры сверл, зенкеров и разверток
Цель работы: Изучить конструктивные и геометрические параметры осевого инструмента типа сверл, зенкеров и разверток. Получить навыки измерения и определить геометрические параметры спиральных сверл.
| НЕОБХОДИМЫЕ ЗНАНИЯ | |
| Геометрия | Методы образования поверхностей |
| Теоретическая механика | Кинематика |
| Металлорежущие станки | Методы получения поверхностей; Кинематика станков |
Стандартные определения, в соответствии с ГОСТ 25751-83, приведены в табличках.
| Сверло – Осевой режущий инструмент для образования отверстия в сплошном материале и (или) увеличения диаметра имеющегося отверстия. |
Спиральные сверла предназначены, как следует из определения, для получения отверстий. Схематически станок для получения отверстий можно представить в виде, показанном на рис.1.
Спиральное сверло состоит из двух основных участков: режущей и калибрующих частей.
Рис.1. Общий вид станка сверлильной группы.
| Режущий участок лезвийного инструмента– Участок рабочей части лезвийного инструмента, содержащий лезвия. |
| Калибрующий участок лезвийного инструмента– Участок рабочей части лезвийного инструмента, содержащий калибрующие зубья и выглаживатели. |
В зависимости от вида обработки обрабатываемой поверхностью может считаться либо торцевая поверхность, в которой производится отверстие (создание отверстий в сплошном матеоиале спиральным сверлом) или поверхность самого отверстия (при рассверливании спиральным сверлом) (см. рис.2).
Рис.2. Схема рассверливания и поверхности на заготовке при рассверливании и сверлении. 1 – обрабатываемая поверхность; 2 – поверхность резания; 3 – обработанная поверхность.
Определив поверхности на заготовке можно начинать рассмотрение поверхностей на инструменте. Определения поверхностей даны в лабораторной работе №1.
По передней поверхности Aγ, по определению, должна сходить стружка. В осевых инструментах типа спиральных сверл для отвода стружки из зоны обработки (при специфике работы – вертикальное расположение инструмента) предусмотрены специальные конструктивные элементы – стружечные канавки. Поверхность стружечной канавки частично можно считать передней поверхностью, в той ее части, которая непосредственно примыкает к главной режущей кромке. В общем виде передняя поверхность это сложная винтовая криволинейная поверхность.
Задними поверхностями на спиральном сверле являются шлифованные поверхности на рабочей части инструмента, так как при производстве инструмента только эти поверхности подвергаются механической обработке. Данные поверхности обращены к конической поверхности резания (главная задняя поверхность Aa ) и цилиндрической обработанной поверхности (вспомогательная задняя поверхность Aa` , которая также называется ленточкой).
Рис.3. Конструктивные элементы сверла.
Главная режущая кромка K находится на пересечении сложной передней винтовой поверхности Aγ и сложной главной задней поверхности Aa (см. рис.3), однако заточка спирального сверла выполняется таким образом, что главная режущая кромка является отрезком прямой линии. Вспомогательная режущая кромка K ` находится на пересечении винтовой передней поверхности Aγ и сложной винтовой вспомогательной задней поверхности Aa` (ленточкой) и представляет собой винтовую линию.
Необходимо заметить, что из-за особенностей конструкции спирального сверла, а именно из-за присутствия сердцевины, главные режущие кромки не могут пересекаться в одной точке (в таком случае у сверла отсутствовало бы тело инструмента). Таким образом, для того чтобы соединить главные режущие кромки, а также для создания участка для врезания инструмента в заготовку предусмотрены дополнительные (одна или несколько) режущие кромки, называемые перемычками.
Вершиной, по определению, является пересечение главной и вспомогательной режущих кромок. Вершины находятся на внешнем диаметре сверла, а не у его оси.
Рассмотрим плоскости, составляющие инструментальную систему координат (ИСК).
| Основная плоскость (Pv) – Координатная плоскость, проведенная через рассматриваемую точку режущей кромки перпендикулярно направлению скорости главного или результирующего движения резания в этой точке. Примечание. В инструментальной системе координат направление скорости главного движения резания принимается: у осевых инструментов — по касательной к траектории вращательного движения инструмента. |
| Плоскость резания (Pn) – Координатная плоскость, касательная к режущей кромке в рассматриваемой точке и перпендикулярная основной плоскости. |
| Главная секущая плоскость (Pt)– Координатная плоскость, перпендикулярная к линии пересечения основной плоскости и плоскости резания. |
Рассматривая более подробно определение основной плоскости можно сказать, что основная плоскость в спиральном сверле проходит через ось инструмента и любую выбранную точку на главной режущей кромке K, обычно вершине. На рис.4 представлена схема определения расположения основной плоскости.
Рис.4. Расположение основной плоскости для спирального сверла.
Определение расположения остальных плоскостей для спирального сверла аналогично определению, принятому для резцов. Так, плоскость резания Pn проходит через главную режущую кромку K и является перпендикулярной к основной плоскости Pv. Главная секущая плоскость Pt является перпендикулярной к плоскости резания Pnи к основной плоскости Pv и проходит через выбранную точку (начало координат ИСК).
Рис.5. Расположение плоскостей спирального сверла.
Задавшись системой отсчета (ИСК), мы можем переходить к определению углов спирального сверла. Все углы определяются аналогично углам токарных резцов, однако для удобства некоторые угловые величины объединяются либо вводятся новые параметры.
Рассмотрим углы в основной плоскости (рис.6). Так как спиральное сверло в основном имеет два режущих зуба, то соответственно, через главные режущие кромки можно провести 2 плоскости резания, а также две рабочие плоскости, проходящие через вершины. Таким образом, в основной плоскости мы будем иметь два одинаковых угла φ (при условии задания Pv. как описано выше). Для удобства измерения угломером, для спиральных сверл принято определять двойной угол в плане
2φ (см.рис.6).
Вспомогательная плоскость резания Pn` по определению перпендикулярна Pv. и проходит через вспомогательную режущую кромку K`. Однако, K` является сложной винтовой кривой и определение касательной к ней затруднительно. На рис.6 показано положение касательной линии к вспомогательной режуще кромке около вершины, и таким образом видно, что вспомогательный угол в плане φ1 является весьма малой величиной. На практике измерение этого угла невозможно, однако наличие такого угла влияет на диаметр винтовой линии вспомогательной режущей кромки как у ее начала, так и конца. Таким образом, при развертке винтовой линии K` и рассмотрении элементарных треугольников для определения угла φ1 измерительным методом необходимо будет точно измерить диаметры у вершины сверла и у конца вспомогательной режущей кромки (или ленточки), а также знать длину спирали (длину калибрующей части) 
. Где Dв – диаметр сверла у вершины; Dз – диаметр сверла у конца вспомогательной режущей кромки; lк – расстояние между точками измерения Dв и Dз (длина калибрующей части). Для спирального сверла также действует правило φ+ε+φ1=180˚.
Рис.6. Углы в основной плоскости спирального сверла.
Угол подъема спирали винтовой линии вспомогательной режущей кромки также является важным геометрическим параметром и называется углом наклона стружечной канавки ω. Угол ω можно также определить методом развертки. На рис.7 в нижней части показаны необходимые элементы спирального сверла (D – диаметр рабочей части; H – шаг стружечной канавки – расстояние между одноименным элементом (вспомогательной режущей кромкой K` ) вдоль оси сверла). Если мысленно развернуть K` на плоскость, то получится треугольник, показанный на рисунке. Так одна его сторона будет равна длине полного поворота винтовой линии или H, а другая длине окружности винтовой линии или πD. Соответственно выражение для определения угла ω будет выглядеть следующим образом:
.
Рис.7 Определение угла наклона стружечной канавки.
Визуально угол наклона можно также определить «прокатив» сверло в направлении, перпендикулярном его оси, равномерно перемещая карандаш или ручку вдоль вспомогательной режущей кромки K` (см. рис.7 верхняя часть), получив при этом развертку K` на плоскость. Угол между полученным отрезком и направлением, перпендикулярным вращению сверла, и будет искомой величиной.
Рассмотрим углы в главной секущей плоскости Pt.
Рис.8. Углы в главной секущей плоскости Pt.
Заметим важное свойство переднего γ и главного заднегоα углов в главной секущей плоскости Pt, проведенной в различных точках главной режущей кромки K – эти углы различны. Оптимальные значения этих углов приходятся на самый нагруженный участок спирального сверла – его вершину. По мере продвижения к оси сверла передний угол γ падает до нуля и может даже иметь отрицательные значения. Хотя процесс резания при этом значительно ухудшается избежать такого падения значения переднего угла невозможно, так как постоянное или малое падение γ привело бы к тому, что у сверла отсутствовала бы сердцевина и оно представляло бы из себя два независимых режущих зуба. Увеличение заднего угла α частично компенсирует падение режущих свойств сверла по направлению к его оси. Определение значений α и γ возможно только непрямым, путем (описано ниже).
Угол наклона главной режущей кромки λ практического интереса не имеет и поэтому его определение в данном случае не рассматривается.
Как уже было замечено выше, у оси спирального сверла условия резания неудовлетворительные в связи с тем, что передний и задний углы находятся не в оптимальных пределах, а также в связи с тем, что скорость главного движения по мере удаления от вершины сверла к оси падает. Для создания, с одной стороны условия целостности инструмента (наличия соединяющей два режущих зуба сердцевины), а также условия врезания инструмента в материал заготовки предусмотрены перемычки – режущие кромки, соединяющие между собой главные режущие кромки K. Острый угол в плоскости, перпендикулярной оси сверла, между главной режущей кромкой и перемычкой называется углом наклона перемычкиψ (см. рис.9).
Рис.9. Угол наклона перемычки.
Перейдем к методике определения геометрических параметров.
Для определения двойного угла в плане 2φ можно воспользоваться универсальным угломером (схема измерения представлена на рис.10). Для этого необходимо расположить измерительные губки универсального угломера на главных режущих кромках спирального сверла таким образом, чтобы между ними не было зазора. Обратите внимание на то, что если вы пользуетесь угломером, показанным на рис.10 то значение угла 2φ определяется как сумма 90˚ и показания угломера, так как при установке прибора на отметку 0˚ угол между измерительными губками составит 90˚.
Рис.10. Измерение двойного угла в плане.
Для определения вспомогательного угла в плане φ1 необходимо воспользоваться формулой , при этом измерять диаметры необходимо универсальным штангенциркулем перпендикулярно оси спирального сверла совмещая измерительные губки прибора с ленточкой инструмента. Измерения необходимо выполнять с точностью прибора (до 0,1 мм). Длину необходимо измерять масштабной линейкой (точность до 1 мм).
Для определения угла наклона винтовой канавки ω необходимо воспользоваться методикой, изложенной выше. Причем, если угол определяется по формуле , то диаметр измеряется при помощи штангенциркуля (точность до 1 мм), а шаг винтовой канавки – масштабной линейкой (точность до 1 мм). При применении метода прокатывания угол между развернутой винтовой линией и линией, параллельной оси спирального сверла можно определить при помощи транспортира.
Для определения угла наклона перемычки ψ можно также воспользоваться универсальным угломером (см.рис.11). Для этого необходимо одну из губок совместить с главной режущей кромкой K, затем расположить угломер перпендикулярно оси сверла и попытаться совместить другую измерительную губку с перемычкой (не соприкасаясь).
Рис.11. Измерение двойного угла в плане.
Для определения переднего углаγ на любом радиусе инструмента вдоль главной режущей кромки без учета толщины перемычки (что дает достаточно точный результат) можно воспользоваться формулой 
. Где rx – радиус инструмента вдоль главной режущей кромки, а R=D/2 – радиус спирального сверла.
Для определения заднего угла α можно воспользоваться координатным методом. Для этого необходимо измерить падение задней поверхности в плоскости, перпендикулярной оси спирального сверла, проходящей через любую точку на главной режущей кромке. Спиральное сверло при измерении закрепляют в шпинделе делительной головки 1 (см.рис.12). На базовой плите 2, где установлена делительная головка, закрепляют стойку 3 с индикатором 4. При этом, ножку 5 индикатора вводят в контакт с рассматриваемой точкой на главной режущей кромке. Предварительно измеряют расстояние до этой точки от центра (при помощи штангенциркуля с точностью до 1 мм). Так как задняя поверхность спирального сверла при заточке на специальном заточном станке имеет форму винтовой поверхности, то при повороте сверла в делительной головке на некоторый фиксированный угол ρx индикатор зафиксирует величину падения задней поверхности в осевом направлении – bx. Задний угол при этом можно будет определить по формуле 
.
Рис.12. Измерение заднего угла α.
Порядок выполнения работы:
1. Составить эскиз спирального сверла (вид сбоку и вид спереди) в соответствии с индивидуальным заданием, проставив на нем габаритные и другие характерные линейные размеры.
2. Произвести измерения углов 2φ, ψ и ω.
3. Вычислить угол φ1.
4. Произвести замеры в 3 точках величины падения задней поверхности и определить соответствующие этим точкам значения углов α и γ.
5. Построить график зависимости изменения углов α и γ от диаметра спирального сверла.
6. Значения углов нанести на эскиз спирального сверла.